介绍xorg Server实现框架，引导代码阅读

架构

X11图形系统为C/S架构，Server管理输入输出设备等资源，Client发起请求操作图形等。

• DDX：设备相关的X实现，包括键盘，鼠标等输入设备，显示等输出设备

• DIX：设备无关的X实现，包括任务的分发，事件队列，扩展相关实现等

• Extensions：扩展协议，相对X11核心协议，其增加了client与server之间的交互功能，包括请求和事件

• Inputs：输入设备包括键盘、鼠标、触控板、触摸屏等

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源码目录树

介绍关键目录文件功能，除了hw和os相关代码，其它代码可以共享。扩展协议中与硬件相关的实现通过回调函数来抽象，硬件相关代码需实现函数功能。

注：

1. Xephyr和Xnest实现的功能将被xf86-video-nested驱动代码

2. Xvfb实现的功能将被xf86-video-dummy驱动代码

xfree86处理流程

Dispatch

任务分发主函数。

1 2void Dispatch(void){ 3 // skipped 4 while (!dispatchException) { 5 if (InputCheckPending()) { 6 // 处理输入事件 7 ProcessInputEvents(); 8 // 处理输入事件时产生关键事件等，在此发送 9 FlushIfCriticalOutputPending(); 10 } 11 // 阻塞等待，当client请求，输入事件，视频事件等发生时返回 12 if (!WaitForSomething(clients_are_ready())) 13 continue; 14 // client请求处理 15 if (!dispatchException && clients_are_ready()) { 16 // 分发处理无异常且有client请求，选择其中一个client处理 17 client = SmartScheduleClient(); 18 isItTimeToYield = FALSE; 19 start_tick = SmartScheduleTime; 20 // client出错，优先级改变，处理事件过长等，都会结束循环 21 while (!isItTimeToYield) { 22 // 处理键盘，鼠标等输入事件 23 if (InputCheckPending()) 24 ProcessInputEvents(); 25 FlushIfCriticalOutputPending(); 26 // 分时调度，处理单个client时间过长（15ms时间片），降低其优先级，且重新调度 27 if ((SmartScheduleTime - start_tick) >= SmartScheduleSlice){ 28 if (client->smart_priority > SMART_MIN_PRIORITY) 29 client->smart_priority--; 30 break; 31 } 32 // 读取client请求信息，返回请求长度，result为0，请求处理完成，进行下一个调度 33 result = ReadRequestFromClient(client); 34 if (result <= 0) { 35 if (result < 0) 36 CloseDownClient(client); 37 break; 38 } 39 client->sequence++; 40 client->majorOp = ((xReq *) client->requestBuffer)->reqType; 41 client->minorOp = 0; 42 if (client->majorOp >= EXTENSION_BASE) { 43 // 扩展协议请求，获取扩展协议的操作码minorOp，以区分请求类型 44 ExtensionEntry *ext = GetExtensionEntry(client->majorOp); 45 if (ext) 46 client->minorOp = ext->MinorOpcode(client); 47 } 48 // 请求长度过大，不符合规范 49 if (result > (maxBigRequestSize << 2)) 50 result = BadLength; 51 else { 52 result = XaceHookDispatch(client, client->majorOp); 53 if (result == Success) { 54 currentClient = client; 55 // 处理请求 56 result = (*client->requestVector[client->majorOp]) (client); 57 currentClient = NULL; 58 } 59 } 60 // 更新client运行时间，可能使用timer更新事件（SIGALRM） 61 if (!SmartScheduleSignalEnable) 62 SmartScheduleTime = GetTimeInMillis(); 63 64 if (client->noClientException != Success) { 65 // client异常，关闭该client 66 CloseDownClient(client); 67 break; 68 } 69 else if (result != Success) { 70 // 处理请求失败，发送错误码给client，如：BadLength 71 SendErrorToClient(client, client->majorOp, client->minorOp, client->errorValue, result); 72 break; 73 } 74 } 75 // 发送请求回复或者事件 76 FlushAllOutput(); 77 if (client == SmartLastClient) 78 client->smart_stop_tick = SmartScheduleTime; 79 } 80 // 若client改变了自己的优先级，则需重新调度client 81 dispatchException &= ~DE_PRIORITYCHANGE; 82 } 83 // server被重置，则进入下一轮运行。server被中断，则退出执行 84 KillAllClients(); 85 dispatchException &= ~DE_RESET; 86 SmartScheduleLatencyLimited = 0; 87 ResetOsBuffers(); 88}

WaitForSomething

使用同步多路IO阻塞等待和定时器功能。

1// are_ready是否有输入事件 2// 等待和处理定时任务。出错或有事件需处理时返回 3Bool WaitForSomething(Bool are_ready){ 4 // skipped 5 timer_is_running = were_ready; 6 if (were_ready && !are_ready) { 7 // 无输入事件，停止调度定时器 8 timer_is_running = FALSE; 9 SmartScheduleStopTimer(); 10 } 11 were_ready = FALSE; 12 busfault_check(); 13 while (1) { 14 // 执行工作队列中的处理函数 15 ProcessWorkQueue(); 16 // 处理定时任务，返回下次超时时间 17 timeout = check_timers(); 18 // 检查是否有设备的输入事件 19 are_ready = clients_are_ready(); 20 if (are_ready) 21 timeout = 0; // 有输入事件等待处理，即时返回 22 // 阻塞任务，通过超时处理，可能会修改timeout时间 23 BlockHandler(&timeout); 24 if (NewOutputPending) 25 FlushAllOutput(); 26 /* keep this check close to select() call to minimize race */ 27 if (dispatchException) 28 i = -1; // 出现异常 29 else 30 i = ospoll_wait(server_poll, timeout); 31 pollerr = GetErrno(); 32 // 执行操作 33 WakeupHandler(i); 34 if (i <= 0) { /* An error or timeout occurred */ 35 if (dispatchException) 36 return FALSE; 37 // skipped 38 } else 39 are_ready = clients_are_ready(); 40 // 有设备输入事件 41 if (InputCheckPending()) 42 return FALSE; 43 if (are_ready) { 44 were_ready = TRUE; 45 if (!timer_is_running) 46 SmartScheduleStartTimer(); // 启动调度计时器，5ms为一个时间片 47 return TRUE; 48 } 49 } 50}

client调度机制

采用优先级和分时调度系统来选择client，响应该client的请求。client有两种优先级，静态优先级和动态优先级（smart priority）。优先比较静态优先级，在比较动态优先级。

• 分时调度的基础时间片为5ms，连续处理一个client超过一个时间片时重新调度client。当长时间只有一个活动client时，动态调整时间片，每1秒钟增加5ms，时间片最大不超过15ms；当有多个活动client时，时间片恢复至5ms。

• 动态优先级范围为[-20,0]，当连续处理client请求超过1个时间片时，动态优先级减一；当连续空间时间超过2个时间片时，动态优先级加一。

1// 选择一个client，处理该client的请求 2static ClientPtr SmartScheduleClient(void);

DDX函数

不同功能，运行不同平台上的X11 server，都需重新实现这些函数，接口保持一致。通过预编译宏来选择静态编译X11 server。

初始化屏幕输出

1void InitOutput(ScreenInfo * screen_info, int argc, char **argv);

• 发现并初始化输出设备，硬件设备或者虚拟设备

• 初始化ScreenInfo数据结构

初始化屏幕输入

1void InitInput(int argc, char **argv);

• 发现并初始化输入设备（键盘，鼠标等），硬件设备或者虚拟设备

输入事件处理函数

1void ProcessInputEvents(void);

• 处理输入事件，InternalEvent类型。这些事件由硬件输入处理模块将硬件事件转换成InternalEvent类型事件，插入到队列中，通过管道方式通知处理。mieqProcessInputEvents封装了通用实现。

• 一次调用处理队列中所有输入事件

退出server处理函数

1void ddxGiveUp(enum ExitCode error);

• server退出时调用函数，进行资源回收

屏幕初始化函数

1Bool (*pfnInit) (ScreenPtr pScreen, int argc, char **argv);

• 初始化屏幕尺寸，分配一个前端帧缓冲（front framebuffer），为每个CRTC分配硬件光标帧缓冲（cursor framebuffer），计算硬件光标尺寸等，设置屏幕的视觉类型（像素深度，色彩格式等）

• 根据像素深度初始化帧缓冲（framebuffer）的视觉类型（格式和像素深度），初始化屏幕的窗口，pixmap，colormap，图形等处理函数，以及默认值参数。（fbScreenInit）

• 初始化Screen的图像（picture）处理函数 （fbPictureInit）

• 初始化屏幕与光标相关的处理函数（machine independent cursor display routines）。初始化光标（xf86PointerScreenFuncs）与屏幕和精灵（miSpritePointerFuncs）相关的处理函数（miDCInitialize）

• 调用extension协议的ScreenInit回调函数初始化Screen的私有属性，窗口操作、图形操作等回调函数，如：DPMS，Xv，RandR等

如：xf86ScreenInit，xwl_screen_init。

xfree86驱动接口

xfree86驱动接口定义了DDX的输入输出设备驱动接口，驱动以模块（动态库）的形式提供。

1// 加载和卸载模块函数 2typedef void *(*ModuleSetupProc) (void *, void *, int *, int *); 3typedef void (*ModuleTearDownProc) (void *); 4 5// 模块描述 6/* This structure is expected to be returned by the initfunc */ 7typedef struct { 8 const char *modname; /* name of module, e.g. "foo" */ 9 const char *vendor; /* vendor specific string */ 10 CARD32 _modinfo1_; /* constant MODINFOSTRING1/2 to find */ 11 CARD32 _modinfo2_; /* infoarea with a binary editor or sign tool */ 12 CARD32 xf86version; /* contains XF86_VERSION_CURRENT */ 13 CARD8 majorversion; /* module-specific major version */ 14 CARD8 minorversion; /* module-specific minor version */ 15 CARD16 patchlevel; /* module-specific patch level */ 16 const char *abiclass; /* ABI class that the module uses */ 17 CARD32 abiversion; /* ABI version */ 18 const char *moduleclass; /* module class description */ 19 CARD32 checksum[4]; /* contains a digital signature of the version info structure */ 20} XF86ModuleVersionInfo; 21 22typedef struct { 23 XF86ModuleVersionInfo *vers; 24 ModuleSetupProc setup; 25 ModuleTearDownProc teardown; 26} XF86ModuleData; 27 28typedef Bool xorgDriverFuncProc(ScrnInfoPtr, xorgDriverFuncOp, void *); 29// 驱动描述，包括探测函数的实现 30typedef struct _DriverRec { 31 int driverVersion; 32 const char *driverName; 33 void (*Identify) (int flags); 34 Bool (*Probe) (struct _DriverRec * drv, int flags); 35 const OptionInfoRec *(*AvailableOptions) (int chipid, int bustype); 36 void *module; 37 int refCount; 38 xorgDriverFuncProc *driverFunc; 39 40 const struct pci_id_match *supported_devices; 41 Bool (*PciProbe) (struct _DriverRec * drv, int entity_num, 42 struct pci_device * dev, intptr_t match_data); 43 Bool (*platformProbe) (struct _DriverRec * drv, int entity_num, int flags, 44 struct xf86_platform_device * dev, intptr_t match_data); 45} DriverRec, *DriverPtr; 46 47// 注册和卸载驱动函数 48void xf86AddDriver(DriverPtr driver, void *module, int flags); 49void xf86DeleteDriver(int drvIndex);

1. 实现模块加载和卸载函数，调用xf86AddDriver和xf86DeleteDriver注册和卸载驱动，及定义模块描述信息

2. 实现硬件特性查询函数（driverFunc）

3. 实现获取硬件可用选项的函数（AvailableOptions）（硬件配置）

4. 实现设备驱动探测函数。共有3种设备探测方式

   1. probe：老版探测设备方法，通过配置文件配置

   2. PciProbe：通过扫描pci设备进行探测设备，使用libpciaccess库实现

   3. platformProbe：通过dbus机制探测设备

   4. xfree86使用udev处理设备热插拔时，udev根据驱动名称加载无需探测函数

xfree86显卡驱动需实现的接口，X11 server提供默认驱动modesetting，其它厂商的显卡在第3方库中，如：xf86-video-amdgpu，xf86-video-intel等。

1. xfree86通用层实现接口

   1. Probe：探测是否能驱动该设备，目前不再使用该函数进行探测，而是由xfree86驱动实现该功能

   2. PreInit：根据视频硬件设备和配置信息初始化屏幕内容

   3. EnableDisableFBAccess：使能帧缓冲的访问

2. 驱动独自实现接口

   1. ScreenInit：屏幕初始化接口，DIX层为每个屏幕调用初始化函数

   2. FreeScreen：是否屏幕资源

   3. SwitchMode：切换视频模式

   4. EnterVT：进入控制台，获得控制台的控制权

   5. LeaveVT：离开控制台，释放控制台的控制权

   6. ValidMode：检测特定硬件约束的视频模式

   7. AdjustFrame：更新视口（viewport），如：视口缩放

3. 扩展协议实现依赖接口：若xfree86 video mode，Xv，randr等扩展协议

1typedef Bool xf86ProbeProc(DriverPtr, int); 2typedef Bool xf86PreInitProc(ScrnInfoPtr, int); 3typedef Bool xf86ScreenInitProc(ScreenPtr, int, char **); 4typedef Bool xf86SwitchModeProc(ScrnInfoPtr, DisplayModePtr); 5typedef void xf86AdjustFrameProc(ScrnInfoPtr, int, int); 6typedef Bool xf86EnterVTProc(ScrnInfoPtr); 7typedef void xf86LeaveVTProc(ScrnInfoPtr); 8typedef void xf86FreeScreenProc(ScrnInfoPtr); 9typedef ModeStatus xf86ValidModeProc(ScrnInfoPtr, DisplayModePtr, Bool, int); 10typedef void xf86EnableDisableFBAccessProc(ScrnInfoPtr, Bool); 11typedef int xf86SetDGAModeProc(ScrnInfoPtr, int, DGADevicePtr); 12typedef int xf86ChangeGammaProc(ScrnInfoPtr, Gamma); 13typedef void xf86PointerMovedProc(ScrnInfoPtr, int, int); 14typedef Bool xf86PMEventProc(ScrnInfoPtr, pmEvent, Bool); 15typedef void xf86DPMSSetProc(ScrnInfoPtr, int, int); 16typedef void xf86LoadPaletteProc(ScrnInfoPtr, int, int *, LOCO *, VisualPtr); 17typedef void xf86SetOverscanProc(ScrnInfoPtr, int); 18typedef void xf86ModeSetProc(ScrnInfoPtr);

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Extensions代码框架

扩展协议组件一般可以组件方式存在，通过配置来加载和初始化扩展协议，一般使静态加载。

1// 扩展协议注册接口 2extern _X_EXPORT ExtensionEntry * 3AddExtension(const char * /*name */ , 4 int /*NumEvents */ , 5 int /*NumErrors */ , 6 int (* /*MainProc */ )(ClientPtr /*client */ ), 7 int (* /*SwappedMainProc */ )(ClientPtr /*client */ ), 8 void (* /*CloseDownProc */ )(ExtensionEntry * /*extension */ ), 9 unsigned short (* /*MinorOpcodeProc */ )(ClientPtr /*client */ ) 10 ); 11 12// 扩展初始化函数，主要需注册扩展协议的请求和事件 13typedef void (*InitExtension) (void); 14 15// 扩展协议描述结构 16typedef struct { 17 InitExtension initFunc; // 初始化函数地址 18 const char *name; // 扩展协议名称 19 Bool *disablePtr; // 是否禁用该协议，可动态指定 20} ExtensionModule;

1. NumEvents：定义事件数量，可以没有

2. NumErrors：定义错误编号数量，可以没有

3. MainProc：请求处理函数

4. SwappedMainProc：请求处理函数，与client端的字节序相反时，调用该处理函数

5. CloseDownProc：清理函数，一般为空

6. MinorOpcodeProc：次操作码处理，X11协议中有个次操作码，扩展协议可根据需要进行转换。

7. InitExtension：实现初始化函数，注册资源类型，定义扩展私有属性，封装屏幕回调函数，调用AddExtension注册扩展协议等

注：扩展协议全局的事件编号和请求编号在server启动时确定。

• X11 server对每个扩展协议分配一个请求操作码，扩展协议的起始请求操作码从128其，128以下的请求码为核心协议的请求。

• X11 server对扩展协议的事件编号，起始编号为64，扩展协议初始化顺序累计编号，总数不能超过64个。

事件处理机制

所有事件在主流程中处理，使用操作系统poll机制的同步多路IO响应IO事件。

1// fd：文件句柄，如：socket，dbus，device，netlink，udev monitor，drm等 2// notify：事件处理函数 3// mask：请求事件，如：读或写；为0时表示注销 4// data：传递给事件处理函数参数 5Bool SetNotifyFd(int fd, NotifyFdProcPtr notify, int mask, void *data); 6 7// fd：同上 8// ready：响应事件（X_NOTIFY_READ、X_NOTIFY_READ或X_NOTIFY_ERROR） 9// data：同上 10typedef void (*NotifyFdProcPtr)(int fd, int ready, void *data); 11 12// xfree86注册函数 13typedef void (*InputHandlerProc) (int fd, void *data); 14// 输入设备IO处理函数 15void *xf86AddInputHandler(int fd, InputHandlerProc proc, void *data); 16// 其它设备处理函数，如：显示器差别，电源管理等 17void *xf86AddGeneralHandler(int fd, InputHandlerProc proc, void *data); 18 19// 回复请求或者发送事件 20void FlushAllOutput(void);

各类IO事件注册和处理函数列表，均在主线程上下文处理。

输入设备事件

为了快速响应输入设备事件，xorg server使用一个专门线程响应输入事件，并将输入事件转换为InternalEvent类型事件，插入输入事件队列中，再交由主线程处理输入事件。

1// 输入线程管理的设备队列 2static InputThreadInfo *inputThreadInfo; 3// 新增设备，将设备加入队列中，并通知IO线程处理新设备 4void xf86AddEnabledDevice(InputInfoPtr pInfo){ 5 InputThreadRegisterDev(pInfo->fd, xf86ReadInput, pInfo); 6} 7 8// 输入设备IO线程处理函数 9static void *InputThreadDoWork(void *arg); 10 11// InternalEvent事件循环队列，可动态加减 12static EventQueueRec miEventQueue; 13// 事件插入队列函数 14void mieqEnqueue(DeviceIntPtr pDev, InternalEvent *e);

定义了两个pipe队列：hotplug和read/write

• 主线程监听到设备的热插拔，对设备处理后，通过写入hotplug一个字节数据通知IO线程响应设备IO事件，IO线程监听新增设备IO事件（InputReady）

• 主线程监听read/write队列的读事件，当IO线程收到输入设备IO事件后，将IO事件转换成InternalEvent事件，并插入miEventQueue循环队列中，向read/write队列写一个字节数据通知主线程，主线程调用ProcessInputEvents函数处理事件。

两个线程共享队列数据接口，采用了一把锁进行互斥，在队列操作，输入设备操作等都加锁了。IO事件处理的互斥操作会影响交互性能。

注：xwayland未使用单独线程处理IO事件

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设备管理

• xserver的xfree86实现使用udev机制发现设备，注册udev的socket_handler处理函数。

  • NewGPUDeviceRequest / DeleteGPUDeviceRequest：处理插入或拔出的drm GPU设备

  • NewInputDeviceRequest / remove_devices：处理插入或拔出的输入设备

• 使用udev显示器的热插拔，modesetting驱动注册drmmode_handle_uevents处理函数

• 采用dbus的system-logind处理设备的暂停与恢复，注册dbus的socket_handler处理函数，使用system-logind的message_filter响应dbus的设备暂停或恢复消息。

注：均在主线程中使用同步多路IO响应事件。

工作队列

工作队列中的请求，在每次处理轮回中执行，共有注册了四个处理函数：

• compScreenUpdate：将子窗口内容绘制父窗口中

• compRepaintBorder：重绘窗口边框

• xf86libinput_hotplug_device_cb：设备插拔，处理子设备的初始化（libinput）

• update_mode_prop_cb：设备状态更新（libinput）

1// 工作队列 2WorkQueuePtr workQueue; 3 4// 注册处理函数至工作队列 5// function：处理函数 6// closure：传递给处理函数参数 7Bool QueueWorkProc(Bool (*function) (ClientPtr pClient, void *closure), ClientPtr client, void *closure); 8 9// 执行工作队列处理函数，处理请求事件后调用 10void ProcessWorkQueue(void);

回调链表

某些状态、动作、发生时，扩展协议或平台的实现需要对这些事件进行处理。如：属性，状态等发生变化

阻塞唤醒处理函数

阻塞函数（BlockHandler）是在epoll等待事件之前执行的函数，唤醒函数（WakeupHandler）是在epoll等待之后调用。有的扩展协议使用该方式实现定时器功能，在阻塞函数中计算超时事件，在唤醒函数中检查条件，满足时执行任务，如SyncCounter的实现。这些任务是临时性的，执行一次之后可不再执行（回调函数清空）。

1// 在epoll之前调用所有的Server和Screen的BlockHandler，可能会调整pTimeout的值 2void BlockHandler(void *pTimeout); 3// 在epoll之后调用所有的Server和Screen的WakeupHandler 4// result：小于0表示出错；等于0表示超时；大于0表示epoll时间数。 5void WakeupHandler(int result); 6 7// timeout下次超时时间，BlockHandler回调函数可能会更新timeout时间 8// result：<0 - error；=0 - timeout；>0 - activity（poll事件数） 9// 屏幕相关的处理函数 10typedef void (*ScreenBlockHandlerProcPtr) (ScreenPtr pScreen, void *timeout); 11typedef void (*ScreenWakeupHandlerProcPtr) (ScreenPtr pScreen, int result); 12 13// 系统（server）相关的处理函数 14static BlockHandlerPtr handlers; 15typedef void (*ServerBlockHandlerProcPtr) (void *blockData, void *timeout); 16typedef void (*ServerWakeupHandlerProcPtr) (void *blockData, int result); 17Bool RegisterBlockAndWakeupHandlers(ServerBlockHandlerProcPtr blockHandler, 18 ServerWakeupHandlerProcP tr wakeupHandler, 19 void *blockData);

系统处理函数

调用RegisterBlockAndWakeupHandlers动态注册阻塞唤醒函数，插入到handlers队列中。

屏幕处理函数

与Screen相关的处理函数，以下函数封装成函数链，调用Screen的BlockHandler和WakeupHandler回调函数即可。